科技快讯 | Science Advances：Bi0.5Sb1.5Te3热电材料低热导率的研究

近日，武汉理工大学张清杰院士团队的唐新峰教授课题组，同美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授、Vinayak P. Dravid教授，密歇根大学Ctirad Uher教授共同合作，在热电材料低热导率研究中取得新进展。研究人员对Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料的热导率进行了多次测量，并讨论了高密度晶界位错阵列对降低Bi_0.5Sb_1.5Te₃热导率的影响，相关结果以“Thermal conductivity in Bi_0.5Sb_1.5Te_3+x and the role of dense dislocation arrays at grain boundaries”为题发表在《Science Advances》上[1]。

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，其热电效率可用热电优值 (Thermoelectric figure of merit) 来衡量，记作ZT。热电材料的ZT值通常越高越好，近年来，寻找并设计降低热导率的有效机制已成为提高热电优值的一个重要途径。 

最近，有人声称Bi_0.5Sb_1.5Te₃具有非常低的晶格热导率，其内部高密度的晶界位错网络是造成热导率低的一个主要原因。他们的样品是通过在制备过程中添加过量的Te(Te有助于液相形成，促进烧结)，然后在加压条件下进行放电等离子烧结（SPS）排出液相得到的[2]。 

   为了验证这一结论，该研究团队严格重复上述步骤，制备出同样具有高密度晶界位错网络的Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料。然而该材料的实验测量热导率值与预计的结果差别很大，测量值要高于以往的研究结果。由此研究人员猜想，Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料在微观结构上也存在类似于晶体材料的各向异性，电荷和热传输性质在两个正交方向上存在差异性。

研究人员认为，晶界位错网络结构并不是导致Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料热导率降低的主要原因。当研究人员沿某一方向测量电荷运输时，在与该方向垂直的sps加压的样品上测垂直方向的热导率，反而得到了较低的实验测量值。

(A)-(D)依次为添加0、5、15和25% 过量Te的熔融纺丝带的FESEM图像

(B)-(D)中的红色箭头指的是树枝状边界处单相Te的分布

(E)SPS时活塞在不同温度下的移动位移

(F)不同处理阶段粉末的XRD图谱

(G-I)图为依次添加5%、15%、25% 过量Te的石墨模具在SPS后的照片

(A)垂直于SPS加压方向的样品表面的XRD图像

(B)取向因子F与过量Te之间的关系

(C)Te未过量时，在垂直于SPS的加压方向上观察到的样品表面FESEM图像，（D）与（C）为样品的同一表面，但(D)平行于加压方向观察

(F)加入25%过量Te时，在垂直于SPS加压方向上观察到的样品表面FESEM图像，（F）与（E）为样品的同一表面，但(F)平行于加压方向观察

(A) 加入25%过量Te的烧结块体的TEM图像

(B) 图中小插图为编号区域的晶界FFT图像

(C) 边界处宽度为40nm 的莫尔条纹

(D) 图(C)位错区域的IFFT图像

整体热导率的测量

(A)和(B)分别沿垂直或平行于SPS加压方向测量到的Bi_0.5Sb_1.5 Te_3+x(x= 0, 5, 10, 15, 20, 25)热导率值

(C)沿垂直于加压方向测量的晶格热导率

(D)烧结体Bi_0.5Sb_1.5Te_3+x（x＝0, 5, 10，15, 20和25）的κ_||/κ_⊥比值与取向因子F之间的关系

烧结体Bi_0.5Sb_1.5 Te_3+x(x= 0, 5, 10, 15, 20, 25)的几个电学性质（A）电导率（B）塞贝克系数（C）功率因数和（D）热电优值在不同温度下的变化图像

这一研究表明，在探索影响材料低热导率的相关机制时，需要保持电荷和热传输测量上的一致性。同时，该研究也为寻求和设计具有低热导率和高转化效率的新型热电材料提供了崭新的思路，有利于在热电材料相关性质和现象等方面研究上推动研究结果的可统一性和可证实性。

【1】Rigui Deng, Xianli Su, Zheng Zheng, Wei Liu, Yonggao Yan, Qingjie Zhang, Vinayak P. Dravid, Ctirad Uher, Mercouri G. Kanatzidis, Xinfeng Tang, Thermal conductivity in Bi_0.5Sb_1.5Te_3+x and the role of dense dislocation arrays at grain boundaries.Science Advances,Vol. 4, no. 6, eaar5606, (2018).

【2】S. I. Kim, K. H. Lee, H. A. Mun, H. S. Kim, S. W. Hwang, J. W. Roh, D. J. Yang, W. H. Shin, X. S. Li, Y. H. Lee, G. J. Snyder, S. W. Kim, Dense dislocation arrays embedded in grain boundaries for high-performance bulk thermoelectrics. Science 348, 109–114 (2015).

作者：Jane Chou

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